一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法技术

本发明专利技术记载一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，属于航空航天领域，具体方案包括以下步骤：步骤一、明确控制系统的设计任务；步骤二、建立高超声速飞行器姿态系统数学模型；步骤三、设计自适应滑模控制律；步骤四、闭环系统分析；步骤五、利用计算机数值仿真工具Matlab/Simulink进行闭环系统的性能检验。本设计方法不仅使得高超声速飞行器姿态角在有限时间内达到了精度要求，而且可以根据性能指标要求预先设定需要的调整时间。此外，该控制律还能使不确定项估计值按需增长，也减小了控制器增益，很大程度上克服了一般鲁棒控制和自适应控制设计的保守性。

A design method of attitude control for hypersonic vehicle with preset adjustment time

【技术实现步骤摘要】
一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法
本专利技术属于航空航天领域，具体涉及一种可预设调整时间的、可使高超声速飞行器姿态角误差在指定时间内收敛到指定精度的自适应滑模控制律设计方法。
技术介绍
在高超声速飞行器的控制中，需要保证飞行器的姿态角跟踪参考指令信号，否则难以实现飞行器的飞行任务。目前对于高超声速飞行器的控制，大多只是保证姿态角在无限时间内收敛到指定参考值，少数可以保证在有限时间内收敛，但无法预先设定调整时间。为解决控制中的不确定性问题，目前应用的大多数鲁棒控制律一般需要选取较大的控制增益；而大多自适应控制律也存在估计值持续增长的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，该方法能使系统姿态角误差在预设调整时间内达到指定精度要求；而且该方法能解决多数鲁棒控制律控制增益较大和多数自适应律估计值持续增长的问题，使控制器的增益按需增长。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，包括以下步骤：步骤一、明确控制系统的设计任务，使高超声速飞行器姿态角在预定时间内跟踪参考指令信号，并具有良好的鲁棒性和对系统扰动及外界干扰的自适应能力；步骤二、建立高超声速飞行器姿态系统数学模型；步骤三、设计自适应滑模控制律；步骤四、闭环系统分析；步骤五、利用计算机数值仿真工具Matlab/Simulink进行闭环系统的性能检验。进一步的，步骤一中，控制系统的设计任务是：给定参考信号xd，预设的调整时间Tf和允许的跟踪误差∈，设计合适的控制律使得闭环系统的状态x有界，并且当t≥Tf时，系统状态的跟踪误差|x-xd|≤∈。进一步的，步骤二中，建立高超声速飞行器姿态系统数学模型的具体步骤如下：描述高超声速飞行器三通道姿态的二阶非线性微分方程如下所示：式中，分别为飞行器俯仰角、偏航角和滚转角，分别为飞行器俯仰角速度、偏航角速度和滚转角速度；分别为飞行器俯仰角加速度、偏航角加速度和滚转角加速度，Jx,Jy,Jz分别为飞行器对弹体坐标系各轴的转动惯量，Mx,My,Mz分别为作用在飞行器上的合外力对质心的力矩在弹体坐标系各轴上的分量，计算公式为：Mx＝qsllatmxMy＝qsllatmyMz＝qsllonmz式中，q,s分别表示动压和参考面积，llat,llon分别为侧向和纵向参考长度；气动力矩系数mx,my,mz为空速V，迎角α，侧滑角β和姿态角速率ωx,ωy,ωz以及舵偏角δx,δy,δz的函数，即：mx＝mx(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)my＝my(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)mz＝mz(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)下面定义系统状态变量和控制量为：根据式(1)-(3)即可得到飞行器姿态控制系统二阶非线性模型：式中，dlum表示系统总的不确定性，满足di＞0为未知有界常数，为其保守估计值；G(x)＝qsLB(x)T其中，δe、δa和δr分别为左右升降舵偏转角和方向舵偏转角；L＝diag(llat,llat,llon)为飞行器参考长度构成的矩阵；其中，进一步的，步骤三中，设计自适应滑模控制律的具体步骤如下：步骤1：定义滑模面首先，定义系统实际跟踪误差轨迹与期望跟踪误差轨迹之差z＝e-η式中，z＝zi＝[z1,z2,z3]T，z为时间t的函数，e为系统跟踪误差；η为跟踪误差的预期轨迹，其满足以下条件：(1)η在区间[0,∞)上有二阶连续导数；(2)η及其一阶导数二阶导数均有界；(3)η(0)＝e(0)并且(4)当t＞Tf时，η＝0，Tf为设定的调整时间；η依据下列公式拟合：式中其中，ei(0)(i＝1,2,3)分别为系统三通道初始时刻的跟踪误差，为ei(0)的一阶导数，ηi(t)(i＝1,2,3)分别为系统三通道预期的跟踪误差轨迹，tf和κ为待设计参数；定义滑模面为其中，s＝si＝[s1,s2,s3]T，C＝diag(c1,…,ci,…,cn)，ci＞0为待设计参数，为z的一阶导数，显然，由于所以有s(0)＝0，并且滑模面s的一阶导数式中，为z的二阶导数，分别为误差e的一阶导数和二阶导数，分别为状态x的一阶导数和二阶导数，分别为状态参考信号xd的一阶导数和二阶导数。容易得到，该滑模面具有下列性质：性质1：对任意的常数如果|si|＜0对成立，那么对于有成立，并且如果当t→∞时si→0，那么当t→∞时步骤2：设计自适应滑模控制律根据选取的滑模面，系统自适应滑模控制律设计如下：式中，为状态变量，k＝[k1,k2,k3]T，其中ki＞0,i＝1,2,3为待设计参数，ε＝[ε1,ε2,ε3]T为一常数向量，SATε(s)为饱和函数，其中εi满足不等式∈i为系统期望的跟踪误差，si为第i个子系统的滑模面。为未知有界参数di的估计值，由下列自适应律给出μi＞0为待设计参数；定义估计误差为所以有为估计误差的导数，为估计值的导数。进一步的，步骤四中，闭环系统分析的具体步骤如下：飞行器姿态控制系统二阶非线性模型为：将控制律(7)及自适应律(8)应用于上述模型，在参考指令信号xd具有二阶连续导数且xd、和均有界的条件下，有下面的结论成立：1)均有界2)当t→∞时，其中，都为常数；3)对于预先设定的调整时间Tf＞0和稳态时允许的跟踪误差∈i＞0，设计参数那么，当t≥Tf时，各通道状态实际值xi与状态期望值xid满足：|xi-xid|≤∈i(i＝1,2,3)。证明：将控制律(7)代入式(6)得考虑第i个子系统定义当|si|＞ε，有下面讨论si(t)的变化情况，si(0)＝0，从t＝0开始，si(t)值的变化有两种情况；第一种理想情况对于都有|si(t)|＜εi，因此，对所以，另一种情况为存在时间T1＞0使得|si(t)|≤εi,t∈[0,T1)，|si(T1)|＝εi，并且当t＞T1时si(t)超出区间[-εi,εi]。由|si(t)|≤εi,t∈[0,T1)得，因此再结合条件|si(T1)|＝εi可知因为所以Vi(T1)＜εi2。由式(9)得，当si(t)在区间[-εi,εi]之外时，Vi(t)严格本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、明确控制系统的设计任务，使高超声速飞行器姿态角在预定时间内跟踪参考指令信号，并具有良好的鲁棒性和对系统扰动及外界干扰的自适应能力；/n步骤二、建立高超声速飞行器姿态系统数学模型；/n步骤三、定义滑模面，基于滑模面设计自适应滑模控制律；/n步骤四、闭环系统分析；/n步骤五、利用计算机数值仿真工具Matlab/Simulink进行闭环系统的性能检验。/n

【技术特征摘要】
1.一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、明确控制系统的设计任务，使高超声速飞行器姿态角在预定时间内跟踪参考指令信号，并具有良好的鲁棒性和对系统扰动及外界干扰的自适应能力；
步骤二、建立高超声速飞行器姿态系统数学模型；
步骤三、定义滑模面，基于滑模面设计自适应滑模控制律；
步骤四、闭环系统分析；
步骤五、利用计算机数值仿真工具Matlab/Simulink进行闭环系统的性能检验。


2.根据权利要求1所述的一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，其特征在于，步骤一中，所述控制系统的设计任务是：给定参考信号xd，预设的调整时间Tf和允许的跟踪误差∈，设计合适的控制律使得闭环系统的状态x有界，并且当t≥Tf时，系统状态的跟踪误差|x-xd|≤∈。


3.根据权利要求2所述的一种可预设调整时间的高超声速飞行器姿态控制设计方法，其特征在于，步骤二中，建立高超声速飞行器姿态系统数学模型的具体过程如下：
定义系统状态变量和控制量为：



式中，θ,ψ,γ分别为飞行器俯仰角、偏航角和滚转角，δx,δy,δz分别为控制飞行器进行滚转、偏航和俯仰运动的舵偏角；
建立高超声速飞行器姿态系统数学模型



式中，dlum表示系统总的不确定性，满足di＞0为未知有界常数，为其保守估计值；
其中，



G(x)＝qsLB(x)T



式中，q,s分别表示动压和参考面积，L＝diag(llat,llat,llon)为飞行器参考长度构成的矩阵，llat,llon分别为侧向和纵向参考长度；δe、δa和δr分别为左右升降舵偏转角和方向舵偏转角；



其中，
mx＝mx(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)
my＝my(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)
mz＝mz(V,α,β,ωx,ωy,ωz,δx,δy,δz)
式中，气动力矩系数mx,my,mz为空速V，迎角α，侧滑角β和姿态角速率ωx,ωy,ωz以及舵偏角δx,δy,δz的函数；






式中，Jx...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯明哲，郑文全，谭峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23